太陽能平板集熱器最佳傾角的確定及動態調節

孫媛媛 趙斌, 馮婧恒 李文 袁喜鵬

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

西藏屬于高海拔地區、空氣透明度好、所處緯度低，屬于太陽能應用的一類地區。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》提出太陽能作為清潔高效能源已成為可持續能源發展的必由之路[1-2]，而西藏地區擁有得天獨厚的太陽能資源，充分利用可達到節能減排的良好效果。

從成本和應用性方面出發，平板集熱器成本相對較低，具有產水量高、不爆管、可承壓等特點[3]，依據西藏地區建筑物層高普遍較低的實際情況，優選太陽能平板型集熱器作為太陽能供熱系統的集熱設備。集熱器采光面吸收太陽輻射能的多少與集熱器安裝傾角有關，如能動態調節集熱器安裝傾角，可實現太陽能利用的最大化[4]。

國內外學者對關于平板集熱器的最佳傾角開展了研究。厚彩琴等[5]通過模擬安裝角度、方位對集熱器性能的影響，得出在夏季，集熱器面朝東固定，傾角為45°時，吸收太陽輻射能效果最佳；左德功等[6]認為日平均集熱量與集熱器方位角無必然聯系，但積塵則使集熱效率下降；Jafarkazemi[7]對平板集熱器安裝角在-90°＜β＜90°、安裝方位角-90°＜γ＜90°的情況進行研究，得出最優傾角為22°，較當地緯度24.4°相差不多，且全年最優傾角由南至北呈下降趨勢。

1 太陽能輻射強度

太陽輻射強度（也稱太陽輻射量）與太陽高度角有關。當太陽光線垂直于平面照射時，面積最小，在單位面積上接收的太陽輻射量越多；而當光線斜射時，面積增加，在單位面積上接收的太陽輻射量減少。太陽高度角因時、因地而異，通常正午太陽高度角最大、夏季大于冬季、低緯地區大于高緯度地區[8-9]。

1.1 太陽能輻射量

拉薩市日照充足，地形復雜，造就了得天獨厚的氣候條件，和國內大部分地區相比，拉薩空氣比較稀薄，陽光充足，溫度較低，降水較少。

為能深入研究太陽輻射量的特性，采集拉薩市2017年12月30日的輻射量數據進行分析。

測試的太陽輻射量隨時間變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，整體趨勢是先增加后下降，在當地正午時間13∶00左右達到峰值，此時集熱效率最高。其中9∶00至11∶00太陽輻射量由209 W/m2快速增加到863 W/m2，太陽輻射量變化較大，曲線斜率顯著增大，且連續6h太陽輻射量都在800 W/m2以上。由此可知，拉薩太陽能資源豐富，太陽輻射量較高，為太陽能的熱利用提供了最佳的資源條件。

1.2 陽光入射角

不同時刻下太陽光線照射到平板集熱器采光平面，會形成不同的入射角，入射角不同，平板集熱器接收到的太陽輻射量相對有所不同。而入射角的確定，需要依據測試所在地的地理位置對太陽時角、赤緯角及高度角等進行計算。陽光入射角示意如圖2所示。

1.2.1 太陽入射角。

式中：h為太陽高度角，°；α為太陽方位角，°；γ為斜面方位角，°。

面向南向傾角為θ的斜面：

圖2 陽光入射角示意

1.2.2 入射角修正系數。一般表示為入射角為i時，（τα）e,θ與i=0°時的（τα）e,o比值。

式中：Kθ為入射角修正系數。

其中，B在一定條件下為定值。

1.2.3 太陽輻射強度與入射角。法向太陽輻射強度與入射角IDN為太陽光線法線方向的太陽直接輻射強度ID。

斜面上太陽直接輻射強度ID：

斜面上太陽散射輻射強度Id：

傾斜上獲得的地面反射輻射強度IR：

傾斜面上的總輻射強度I：

式中：IdH為水平面散射輻射強度，W/m2；IH為水平面總輻射強度，W/m2。

2 半自動追光集熱器

對于光熱轉化效率一定的太陽能平板集熱器，其太陽輻射量吸收越多，輸出的可用能量也越多。而不同季節，太陽光入射角不同，將影響太陽能平板集熱器的采光率，降低其換熱效率。因此尋求最佳傾角安裝及應用，以獲得最大的太陽輻射總量。

集熱器的安裝傾角是工程運行中可控的參數，直接影響到集熱效率和集熱器出口工質的溫度。基于拉薩的緯度及太陽輻射強度參數，通過調節集熱器傾角，探討太陽輻射強度變化規律，提高集熱器換熱效率。

2.1 追光平板集熱器支架

常規平板集熱器支架均是固定連接構成，安裝傾角是固定的。而不同的季節，太陽光入射角不同，如果采用以上結構，將影響太陽能平板集熱器的采光率，降低其換熱效率。

可調節式太陽能平板集熱器支架示意如圖3所示，包括放置框架、支撐底架、支撐桿及手搖式螺旋千斤頂裝置。放置框架與支撐底架為四邊形，兩個手搖式螺旋千斤頂的兩端分別與兩根支撐桿和支撐底架的一根短桿連接。

該支架結構通過手搖式螺旋千斤頂實現了太陽能平板集熱器傾角的動態調節。具體是通過扳動手柄，使螺桿旋轉，從而使支撐桿上升或下降，得到實際應用中支撐桿最佳長度，從而整體改變平板集熱器位于支架上的傾斜角度，體現了安裝及應用過程中的靈活調節特點。支架傾角處兩端使用兩塊角鋼進行固定連接，平板集熱器頂端及底端的傳熱介質循環管路均采用軟管連接，以保證集熱器在集熱過程中，可使傾斜角度自由調節，調節范圍為36-46°，符合工程實際需要。

圖3 可調節式平板集熱器支架示意

2.2 安裝傾角對太陽輻射強度的影響

集熱器的朝向和安裝傾角是影響其換熱性能的兩個重要因素。安裝傾角隨地區緯度不同而不同。中國相關標準則指明，若裝置在夏季運行，最佳傾角在地區緯度基礎上降低；若裝置在冬季運行，最佳傾角在地區緯度的基礎上提高10°。文章討論的平板集熱器采用GB4271-2007試驗方法，測試地點在拉薩市，選取拉薩市的實驗平臺作為研究對象。為得到最大太陽輻射能，平板集熱器朝正南安裝，拉薩市的緯度為29°36′。測試時，通過自行設計的可調式支架，以西藏自治區能源研究示范中心辦公樓頂布置的平板集熱器為測試對象，以集熱器傾角為自變量，分別對36-46°進行實驗測試，得到隨傾角的變化，集熱器單位面積收集的太陽輻射量變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同傾角下日太陽輻射總量變化曲線

2018年5月23-27日10∶00至15∶00不同傾角下日太陽輻射量變化曲線如圖4所示。由圖4分析可知，日太陽輻射量隨傾角的增加而下降，原因是拉薩市此時正值夏季，太陽高度角偏大，通過減小安裝傾角，達到與太陽高度角互余的目的。傾角越小，集熱器收集的熱量越多，直至最佳傾角時收集的太陽輻射量達到最大值，而后繼續下降。且拉薩市夏季正值雨季多云，依天氣情況太陽輻射量不穩定，四條曲線雖整體均呈下降趨勢，但測試范圍內輻射強度有一定差異，且波動程度不同。以集熱器表面太陽輻射量最大為目標，提出了拉薩市確定平板太陽能集熱器最佳傾角的方法。

3 結論

在安裝及應用過程中均可隨時調節太陽能平板集熱器的傾斜角度，以提高集熱效率。該裝置結構簡單，調節靈活，根據當地緯度及時間的氣候特征，通過手搖式螺旋千斤頂調整至最佳傾角，以獲得最大的太陽輻射總量，具有較強的工程實踐意義。

通過可調式支架，得到不同安裝傾角下集熱器日太陽輻射量變化趨勢，以集熱器表面最大太陽輻射量為目標，提出拉薩市確定平板集熱器最佳傾角的方法，為后續研究拉薩冬季最佳安裝傾角及平板集熱器強化換熱奠定了基礎。